VRS 及其在礦山測量應(yīng)用中關(guān)鍵技術(shù)分析.doc

精品論文推薦vrs 及其在礦山測量應(yīng)用中關(guān)鍵技術(shù)分析牛作鵬1 ，張書畢1 ，高偉 21 中國礦業(yè)大學(xué)(徐州)環(huán)測與測繪學(xué)院，江蘇徐州 (2210082)2 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東泰安 (271018)e-mail：摘要：vrs（虛擬參考站）技術(shù)是 gps（全球定位系統(tǒng)）網(wǎng)絡(luò) rtk（實(shí)時動態(tài)定位）技 術(shù)的一種，它與傳統(tǒng)測量技術(shù)和傳統(tǒng) rtk 技術(shù)相比有很多優(yōu)點(diǎn)。vrs 以其自身的特點(diǎn)和不同行業(yè)的特殊性，在測量工作中越來越多地被應(yīng)用到，尤其是在礦山測量當(dāng)中，它會越來越 被普及，進(jìn)一步改變礦山測量模式。本文介紹了 vrs 技術(shù)基本原理及構(gòu)成，在理論分析的基礎(chǔ)上對 vrs 在礦山測量應(yīng)用中的若干關(guān)鍵技術(shù)作研究和討論，對其在礦山測量中的應(yīng)用 前景進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：vrs；礦山測量；坐標(biāo)轉(zhuǎn)換；信號傳播 中圖分類號：tu198+.41.引言gps 全球定位系統(tǒng)（global positioning system）在礦山工程測量中得到廣泛的應(yīng)用。但 是，作業(yè)模式仍是依靠逐級建立的控制網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)測量工作，未改變傳統(tǒng)的技術(shù)作業(yè)模式。 由于 gps-rtk 技術(shù)的日益成熟，rtk 技術(shù)已被引入礦山工程測量中，人們發(fā)現(xiàn)礦區(qū)內(nèi)傳統(tǒng) 控制網(wǎng)具有一系列固有的缺陷，為了滿足新技術(shù)發(fā)展的需求，需要一種高效率低費(fèi)用，且能夠全面取代傳統(tǒng)控制網(wǎng)的手段，這就是網(wǎng)絡(luò) rtk 技術(shù) 11 。網(wǎng)絡(luò) rtk 技術(shù)又稱多基準(zhǔn)站技 術(shù)，這是對普通 rtk 方法的改進(jìn)。目前應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò) rtk 數(shù)據(jù)處理的方法有虛擬參考站法（virtual reference stationvrs）、偏導(dǎo)數(shù)法、線性內(nèi)插法和條件平差法，其中虛擬參考 站 vrs 技術(shù)最為成熟。2.vrs 系統(tǒng)的構(gòu)成及原理2.1 vrs 系統(tǒng)的基本構(gòu)成vrs系統(tǒng)主要有3個基本的組成部分：基準(zhǔn)站網(wǎng)、數(shù)據(jù)處理中心(控制中心)和用戶部分2 。基準(zhǔn)站是vrs系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，用于實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星信號捕獲、跟蹤、記錄和傳輸，各基準(zhǔn)站 均勻分布在整個網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)成基準(zhǔn)站網(wǎng)，一般一個完整的gps網(wǎng)絡(luò)rtk系統(tǒng)至少有3個已知的 基準(zhǔn)控制點(diǎn)，站與站之間的距離可達(dá)70km，甚至更遠(yuǎn)。通過長時間gps靜態(tài)相對定位等方 法來確定基準(zhǔn)站的精確坐標(biāo)，再通過配備在基準(zhǔn)站上的gps接收機(jī)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備，實(shí)時的 將觀測資料傳送給數(shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)處理中心既是通訊控制中心，也是整個vrs系統(tǒng)的核心部分，由vrs系統(tǒng)軟件、計 算機(jī)、路由器和通訊服務(wù)器組成?？刂浦行陌藇rs系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的傳輸、接收、轉(zhuǎn)換、處 理、發(fā)送等重要任務(wù)，其中最關(guān)鍵的就是根據(jù)接受的信息采用一定的算法計算改正數(shù)，從而 計算出流動站的精確坐標(biāo)。用戶部分也就是流動站部分，可分為米級用戶、測繪工程用戶、車輛導(dǎo)航用戶等。它由 移動電話、調(diào)制解調(diào)器和gps接收機(jī)組成。控制中心通過接收接收機(jī)發(fā)來初始位置，并結(jié)合 差分信號生成厘米級的位置信息。- 5 -2.2 vrs 技術(shù)的基本原理分析vrs(virtual reference station)技術(shù)是一種多基準(zhǔn)站環(huán)境下的 gps 載波相位差分定位技 術(shù)，代表的是網(wǎng)絡(luò) rtk 技術(shù)，是網(wǎng)絡(luò) rtk 系統(tǒng)中一種很有發(fā)展前景的技術(shù)。虛擬參考站就 是利用地面布設(shè)的多個基準(zhǔn)站組成 gps 參考站網(wǎng)，綜合利用各個基準(zhǔn)站的觀測信息，通過 精確的誤差模型修正衛(wèi)星的各種誤差，在用戶附近產(chǎn)生一個物理上不存在的基準(zhǔn)站，與用戶 構(gòu)成短基線或超短基線差分，用戶接受該基準(zhǔn)站的差分信息進(jìn)行定位和測速。vrs 系統(tǒng)的基本原理是：在流動站 u 附近建立一個虛擬的基準(zhǔn)站 p，如圖 1 所示。并根 據(jù)周圍各基準(zhǔn)站上的實(shí)際觀測值算出該虛擬基準(zhǔn)站上的虛擬觀測值。由于虛擬基準(zhǔn)站距離流 動站很近，一般僅有數(shù)米至數(shù)十米。因此，動態(tài)用戶只需采用常規(guī) rtk 技術(shù)就能與虛擬基 準(zhǔn)站進(jìn)行實(shí)時相對定位，獲得準(zhǔn)確的定位結(jié)果。圖 1 虛擬參考站法示意圖從虛擬參考站法的原理分析中，可知此方法的關(guān)鍵是構(gòu)造出虛擬基準(zhǔn)站 p 的虛擬觀測 值。在數(shù)據(jù)處理中就把虛擬基準(zhǔn)站作為一般的基準(zhǔn)站來看待?；谏虡I(yè)利益的原因，國外對 虛擬參考站法的數(shù)學(xué)模型是保密的，無法得知其核心內(nèi)容，只能對基本思想做一個初步的闡 述。同樣假設(shè)基準(zhǔn)站 a、b、c 以及單點(diǎn)定位得到的虛擬基準(zhǔn)站 p 坐標(biāo)分別是（ xaya za ）、（ xbyb zb ）、（ xc yczc ）、（ xpyp zp ）。流動站的坐標(biāo)是（ xu yuzu ）。根據(jù)內(nèi)插法基本原理我們可以得到以基準(zhǔn)站 a 為基準(zhǔn)，基準(zhǔn)站 b、c 的誤差改正數(shù)是:rij= a (x x ) + a( y y )ab1ba2barij= a ( x x ) + a(y y )（1）ac1ca2ca同樣的，在虛擬參考站法中，虛擬基準(zhǔn)站 p 的誤差改正數(shù)：rij= a ( x x ) + a( y y )（2）ac ap 1 p a 2 p a從而可以得到系數(shù) a1 、 a 2 ：a x x y y 1 r ij 1 = baba a b a 2 x c x ayc ya r ij（3）得到虛擬基準(zhǔn)站 p 的改正數(shù)： r ij= a ( x x) + a( y y)ap 1 p a 2 p aac ij （4）= ( x xy y) x b x a yb ya r a b p a p a x c x a yc ya r ij得到虛擬基準(zhǔn)站的改正數(shù)之后，可以推導(dǎo)出基準(zhǔn)站 a 與虛擬基準(zhǔn)站 p 的雙差觀測值: ( ap + nap ) ap r ap = 0（5）在式（5）中， nap 和 r ap 都是可以求得的，相當(dāng)于已知值，在知道虛擬基準(zhǔn)站 和基準(zhǔn)站 a 的坐標(biāo)后就很容易求得 ap 和 ap 。數(shù)據(jù)處理中心就可以利用虛擬基準(zhǔn)站p 上的單差觀測值和流動站 u 上的單差觀測值構(gòu)成雙差觀測方程進(jìn)行動態(tài)相對定位，通過相關(guān)軟件就可以求得流動站 u 的精確坐標(biāo)。3.vrs 在礦山測量應(yīng)用中關(guān)鍵技術(shù)3.1 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的分析gps 定位提供的 wgs84 大地坐標(biāo)在絕大數(shù)礦山工程測量應(yīng)用中沒有太大的意義。實(shí)際 的工程需要將 gps 觀測的 wgs84 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為國家平面坐標(biāo)或是地方坐標(biāo)。但是對于單純的 礦山邊坡變形監(jiān)測來說，可以直接比較同一個測點(diǎn)不同周期的觀測結(jié)果，而不需要通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換求出其差值即移動量 8 。為了反推一些以往用常規(guī)測量技術(shù)測點(diǎn)的控制點(diǎn)，以求解出 歷年來的累計變形量，需要考慮坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。wgs-84 又稱為 1984 年世界大地坐標(biāo)系，使用 wgs-84 橢球，長半徑數(shù)值為a=6378137m，扁率 =1/298.257223563。而礦區(qū)中使用的地方坐標(biāo)系是將地方獨(dú)立測量控制網(wǎng)建立在當(dāng)?shù)氐钠骄０胃叱唐矫嫔?，并以?dāng)?shù)刈游缇€作為中央子午線進(jìn)行高斯投影求得平面坐標(biāo)。不同的地方坐標(biāo)系有不同的原點(diǎn)，不同的定向，它們所采用的參考橢球稱為“地方 參考橢球”。對于 wgs-84 到地方坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，需要求出坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，轉(zhuǎn)換參數(shù)一般是利 用三個以上的重和點(diǎn)的兩套坐標(biāo)值通過一定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算，當(dāng)旋轉(zhuǎn)參數(shù)和尺度變化參 數(shù)為微小量時，轉(zhuǎn)換數(shù)學(xué)模型如下: x d x xw 0 z y xw yd = y + (1 + k ) yw + z0 x yw （6） z d z zw y x0 zw 上式中 x 、 y 、 z 為平移參數(shù)，k 為尺度變化參數(shù)， x 、 y 、 z 為旋轉(zhuǎn)參數(shù)。具體的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換流程如圖 2 所示：經(jīng)過上述一系列步驟，可以將 wgs-84 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為礦區(qū)所使用的地方坐標(biāo)，由于每一步 變換所采用的公式均很復(fù)雜，需根據(jù)不同 gps 接收機(jī)和相關(guān)的數(shù)據(jù)處理軟件解決每一步的 換算。3.2 vrs 在礦山測量應(yīng)用中信號傳播的分析隨著 gps 技術(shù)的發(fā)展、硬件、軟件的配置不斷改進(jìn)、價格不斷降低、體積和重量越來 越小，使高精度 gps 應(yīng)用于礦山測量成為可能。但是 gps 接收機(jī)是靠接受衛(wèi)星信號來提供 定位信息，gps 衛(wèi)星信號不能穿過巖石、建筑物、金屬和密林等障礙物，因此礦區(qū)內(nèi)某些地方可能接收不到參考站臺提供的信息，這些地方就是所謂的“信號盲區(qū)” 8 ，為了得到最佳 效果應(yīng)盡量在天空開闊處使用，但是礦區(qū)作業(yè)條件艱苦，作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，常規(guī) rtk 往往不 能完全發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，同時存在用戶需架設(shè)本地的參考站、誤差隨距離增長等缺陷，為了解決 rtk 在礦山測量應(yīng)用中這一問題，有以下兩個途徑：gps 測得高精度控制點(diǎn)的wgs-84 坐標(biāo)通過高斯投影得到 xw 、 yw 、 zw高精度控制點(diǎn)的 地方坐標(biāo)用布爾莎公式求解轉(zhuǎn)換參數(shù)用轉(zhuǎn)換參數(shù)將礦區(qū)內(nèi)測得的 gps點(diǎn)轉(zhuǎn)換為地方坐標(biāo)圖 2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換流程提高礦區(qū)內(nèi)參考站的密度。提高礦區(qū)內(nèi)參考站的密度可以通過建立新的基準(zhǔn)站或者設(shè)置 臨時參考站這兩種方法。前者可以從根本上解決礦區(qū)內(nèi)信號盲區(qū)的問題，提高礦區(qū)內(nèi)信號覆 蓋度，進(jìn)一步的改善 vrs 系統(tǒng)的穩(wěn)定性；后者是一種有效的應(yīng)急措施，用戶只需在信號盲 區(qū)附近找一個合適點(diǎn)，通過接收參考站信號確定其精確點(diǎn)位，最好將該點(diǎn)設(shè)置為參考站模式 進(jìn)行信息的播發(fā)，確保了信號盲區(qū)內(nèi)的作業(yè)。設(shè)計一個將 gps 和 gsm 網(wǎng)絡(luò)定位集成在一起的雙定位終端。其基本思想是該定位終端 收到定位請求之后，實(shí)時獲取 gps 提供的定位信息和 gsm 網(wǎng)絡(luò)提供的位置服務(wù)信息，并以 短信息的形式發(fā)送給請求位置的手機(jī)或者控制中心12 。gsm 主要采用 at 指令完成短消息 的讀取和發(fā)送，除此之外 gsm 還能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)定位功能，基于 gsm 網(wǎng)絡(luò)的位置服務(wù)能夠彌補(bǔ) gps 定位中信號盲區(qū)的問題，該終端可以整合兩者定位的優(yōu)點(diǎn)，克服它們各自的不足， 可以在礦區(qū)內(nèi) gps 定位精度大大降低或信號盲區(qū)而無法定位的地方采用 gsm 網(wǎng)絡(luò)定位，提 高其定位性能。4.結(jié)束語隨著通訊技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)的日益成熟，vrs 技術(shù)的應(yīng)用前景更加廣闊，將進(jìn)一步改善 其傳輸原始數(shù)據(jù)量大而信息傳輸效率低的缺陷，并在許多生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中發(fā)揮重要的 作用。vrs 技術(shù)推進(jìn)數(shù)字礦山建設(shè)向前發(fā)展，它以穩(wěn)定的定位精度、較高的成果質(zhì)量和較 低的作業(yè)強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，將進(jìn)一步改變礦山測量模式，同時 vrs 技術(shù)還可以與其他技術(shù)相結(jié) 合，更深層次的應(yīng)用于礦山測量中，不斷開發(fā)和拓寬系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，為新時期的礦山建設(shè) 邁向數(shù)字化提供可靠的技術(shù)保障。參考文獻(xiàn)1 呂繼生，呂華新. 虛擬參考站（vrs）技術(shù)在寧波的應(yīng)用前景初探j(luò). 城市勘測, 2007(2) 2 王平，鄭勇. vrs-gps 網(wǎng)絡(luò) rtk 技術(shù)j. 物探裝備, 2001(12)3 王平. 虛擬參考站gps 網(wǎng)絡(luò) rtk 技術(shù)j. 測繪通報, 20014 威二虎，柴華，劉經(jīng)南. vrs 定位算法的研究j. 武漢大學(xué)學(xué)報, 31(11)5 吳北平，李征航. gps 網(wǎng)絡(luò) rtk 線性組合法與內(nèi)插法關(guān)系的討論j. 測繪信息與工程, 2003, 10 6 張成軍，楊力，常志巧. gps 網(wǎng)絡(luò) rtk 內(nèi)插算法分析與比較j. 海洋測繪, 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